蓮花山隧道進口回填沖溝段加固技術

馬 棟, 付重滔, 李 磊

(1. 中鐵十六局集團有限公司，北京 100018；2. 中鐵十六局集團第一工程有限公司，北京 101300； 3. 交通運輸部公路科學研究所，北京 100088)

0 引言

復雜地質環境隧道的出入口施工常遇到淺埋偏壓小凈距情況，隧道施工時兩隧道間圍巖有向淺埋側位移的趨勢，支護結構受力分布不對稱，圍巖的應力狀態(特別是中夾巖)和支護結構的受力狀態均會受到相鄰洞室開挖的影響而惡化，隧道穩定性較差[1-5]。針對淺埋偏壓小凈距隧道的進洞施工問題，國內外學者已在隧道進洞開挖順序、施工工法設計參數、支護技術措施等方面形成了較多的工程應用技術成果[6-13]，在隧道洞口滑坡整治措施方面積累了一定的工程經驗[14-17]。但由于隧道工程地質條件的不確定性，復雜地質條件隧道的施工方案仍需經過研究確定。

蓮花山隧道進口K1+280～K1+480段需通過建筑棄渣回填的天然沖溝，該段為淺埋偏壓小凈距隧道，且隧道進洞施工時正值當地雨季，極易發生失穩現象[18]。因此，為保證蓮花山隧道施工安全，提出了在隧道進口段采用支護樁加固中夾巖(小凈距隧道雙洞間巖體)的方案，并建立數值模型分析該方案對隧道變形的控制作用，最終通過在進口段施工過程監測仰坡變形驗證方案的應用效果。

1 工程概況

蓮花山隧道為一座雙向六車道分離式隧道，采用三心圓形式，開挖跨度17.5 m、高度11.9 m，屬超大斷面隧道。隧道進口位于里程K1+280，平面布置為小凈距，進洞口段為蓮花山西麓穩定緩坡，坡度約10°～50°，覆蓋層為紅黏土，硬塑狀，下伏基巖鉆探揭露為石炭系上統馬平組(C3 m)微風化灰巖。隧道K1+280至沖溝止點K1+480段于2014—2015年進行了建筑棄渣的回填，導致原自然地面發生變化，回填后線路范圍內地面標高為146.00～170.00 m，其中K1+400～K1+480沖溝段地面標高為152.00～155.50 m，K1+280回填前后橫斷面如圖1所示。該段隧道埋深為17.00～33.00 m。圍巖級別為Ⅴ級，采用復合襯砌型式，初期支護采用4.0 mφ22藥卷錨桿、I22B型鋼鋼架@50 cm、29 cm 厚C20噴射混凝土，二次襯砌采用70 cm厚C30鋼筋混凝土拱墻。

圖1 K1+280地質橫斷面Fig.1 Geological cross-section K1+280

2 加固方案分析

2.1 加固方案

針對蓮花山隧道進口段的埋深淺、偏壓、小凈距特點，并結合以往工程實踐經驗，原設計擬采用右洞(埋深較淺側)先開挖、左洞(埋深較深側)后開挖的順序控制隧道的側向位移。但在現場施工時發現隧道右洞地層為微風化灰巖、左洞地層為硬塑紅黏土，并且周邊環境復雜，不具備炸藥爆破條件，只能采用靜態爆破配合機械破除，右洞先行開挖的話將嚴重影響工期。綜合現場實際情況，參建各方最終決定隧道進洞施工采用先左后右(先軟后硬)的順序。同時考慮到蓮花山隧道洞口紅黏土擾動后的自穩定性很差且施工正值柳州市多雨季節，連續強降雨作用下紅黏土將明顯地軟化，隧道施工極有可能引發大規模工程滑體災害。因此，隧道施工方提出擬在進口段中夾巖加設鋼筋混凝土支護樁的措施以控制隧道變形。支護樁設計參數如下：

(1)共43根1.20 m直徑的鋼筋混凝土支護樁，YK1+327～YK1+387段樁間距3.0 m，YK1+387～YK1+439段樁間距4.0 m，YK1+439～YK1+466段樁間距3.0 m，各樁位具體位置如圖2所示。

(2)樁端入隧道仰拱以下不小于3.0 m，具體樁長及樁頂、底標高如圖3所示。

圖2 支護樁平面布置(單位：m)Fig.2 Plane layout of support piles(unit:m)

圖3 支護樁縱斷面布置(單位：m)Fig.3 Profile layout of support piles(unit:m)

(3)樁身采用C30混凝土，鋼筋采用HRB400鋼筋。樁頂設置鋼筋混凝土帽梁，b×h=120 cm×70 cm，帽梁長度根據支護樁的布置段落確定。

2.2 加固效果數值分析

為論證在隧道進口段中夾巖加設鋼筋混凝土支護樁措施對隧道變形的控制效果，選取進口段典型斷面K1+420建立平面應變彈塑性模型(如圖4所示)，對比分析無降水條件下隧道加設鋼筋混凝土支護樁前后隧道的變形情況。

圖4 K1+420地質橫斷面Fig.4 Geological cross-section K1+420

隧道施工過程模擬僅考慮初期支護，初期支護在各部分開挖后緊跟施作。計算結果分析選取左、右線中導洞拱頂監測點(Z1，Y1)、地表監測點(D1，D2)的水平位移和豎向位移(有支護樁時左右線中導洞拱頂監測點分別為Z′1，Y′1，地表監測點分別為D′1，D′2)，監測點的位移計算結果不包括模型初始地應力平衡時發生的變形量。隧道施工工法采用雙側壁導坑法，導洞開挖順序如圖4所示(其中施工步7和14為拆除臨時支撐)，此處不再贅述。

采用有限元軟件建立平面應變模型，隧道左線埋深32.5 m、右線埋深26.5 m，左右線隧道間距36 m。隧道外輪廓線與模型兩側邊界距離為80 m，與底部邊界距離為60 m。模型中圍巖采用平面單元、M-C本構模型模擬，初期支護與支護樁采用梁單元、彈性本構模型模擬。模型上邊界為自由面，其他邊界約束法向位移，計算模型如圖5所示。

圖5 模型網格(單位：m)Fig.5 Model grid(unit:m)

計算模型中初期支護的型鋼鋼架和噴射混凝土、支護樁的鋼筋混凝土樁和樁間土均按照等剛度原則(EA=EdAc+EsAs)等效為整體。根據蓮花山隧道工程地質勘察報告及公路隧道設計規范相關建議參數，數值模型中圍巖與支護結構計算參數取值見表1。

表1 地層及支護結構計算參數Tab.1 Calculation parameters of stratum and support stucture

2.3 計算結果分析

(1)隧道拱頂測點位移

加設支護樁前后，隧道拱頂測點豎向位移與水平位移隨隧道掘進的變化規律如圖6、圖7所示。

圖6 隧道拱頂測點豎向位移變化曲線Fig.6 Curve of vault vertical displacement change

圖7 隧道拱頂測點水平位移變化曲線Fig.7 Curves of tunnel vault horizontal displacement

由圖6、圖7看出：

① 加設支護樁前后，隧道拱頂測點沉降值較接近、變化規律基本相同。其中，Z′1測點沉降值略小于Z1測點，Z′1和Z1測點沉降最大值分別為54.8，55.4 mm；Y′1測點沉降值略小于Y1測點，Y′1和Y1測點沉降最大值分別為76.9，77.8 mm。

② 加設支護樁前后，左線隧道拱頂測點水平位移值及其變化規律差別不大，右線隧道拱頂測點水平位移變化規律基本相同，但Y′1測點水平位移值明顯小于Y1測點。其中，Z′1測點水平位移值略小于Z1測點，Z′1和Z1測點水平位移最大值分別為14.9，16.9 mm；Y′1測點水平位移值明顯小于Y1測點，Y′1和Y1測點沉降最大值分別為24.9，61.2 mm。

(2)地表測點位移

加設支護樁前后，地表測點豎向位移與水平位移隨隧道掘進的變化規律如圖8、圖9所示。

圖8 地表測點豎向位移變化曲線Fig.8 Curves of vertical displacement at surface measurement points

圖9 地表測點水平位移變化曲線Fig.9 Curves of horizontal displacement at surface measurement points

由圖8、圖9看出：

①未加設支護樁時，右線隧道開挖造成地表測點D1與D2的沉降和水平位移值明顯增大，而加設支護樁后地表測點位移變化很小。以D2點為例，左線隧道開挖完畢(開挖步7)時D2沉降值和水平位移值分別為0.3，5.3 mm，右線隧道開挖時(開挖步8)D2沉降值和水平位移值分別為19.8,24.6 mm。

②加設支護樁后地表測點沉降值明顯減小。其中，未加設支護樁時，D1和D2測點沉降最大值分別為40.1，54.9 mm；加設支護樁后，D′1和D′2測點沉降最大值分別為3.9，5.3 mm。

③加設支護樁后地表測點水平位移值明顯減小。其中，未加設支護樁時，D1和D2測點水平位移最大值分別為57.4，59.3 mm；加設支護樁后，D′1和D′2測點沉降最大值分別為1.5，1.7 mm。

綜上所述，加設支護樁對隧道水平位移和地表位移的控制效果顯著。其中，未采用支護樁措施時，右線隧道(后行、淺埋側)的整體水平位移明顯大于左線隧道，達到61.2 mm，并且地表測點水平位移最大值為59.3 mm、沉降最大值為54.9 mm；采用支護樁措施后右線隧道整體水平位移減小為24.9 mm，地表測點水平位移最大值為1.7 mm、沉降最大值為5.3 mm。因此，考慮到工程所在地的多雨天氣，雨水軟化作用將加劇隧道側向變形，可認為在蓮花山隧道進口段中夾巖打設支護樁進行加固是極有必要的。

3 現場地表沉降監測

蓮花山隧道項目部2017年2月20日開始支護樁施工，施工工序主要有測量放樣→埋設護筒→旋挖鉆施工→清孔→下鋼筋籠→混凝土灌樁→帽梁施工等，成孔與澆注從小里程往大里程進行，并于2017年4月30日完成了全部支護樁的澆注工作。2017年5月8日，隧道開始進洞施工，同時通過監測左線隧道進口洞頂仰坡地表沉降(監測斷面對應洞內斷面里程K1+320，以隧道中線向兩側共布置6個監測點，監測點橫向間距為6 m。)以判斷加設支護樁后仰坡的穩定性，施工期間的地表測點沉降時態曲線如圖10所示。

圖10 地表測點沉降時態曲線Fig.10 Temporal curves of settlement at surface measurement points

由圖10看出：

(1)左線隧道進口仰坡的沉降量較小，處于穩定狀態。其中，3號測點的沉降值最大，約10.2 mm；其次為4號測點約9.5 mm，其他測點的沉降最大值為3.9～4.7 mm。

(2)仰坡地表各測點沉降變形在左線施工30～50 d后趨于穩定，進口右線隧道施工對左線仰坡變形影響很小。

4 結論

目前，蓮花山隧道已順利通過進口回填沖溝區段(K1+280～K1+480)，施工期間多次出現連續數天降大暴雨天氣，左線隧道進口仰坡地表沉降測點4個月的最大沉降值為10.2 mm，洞內初期支護與二次襯砌結構均未出現病害現象，說明采用支護樁加固中夾巖有效控制了隧道開挖擾動和降雨軟化等共同作用下的圍巖變形。